JP2009070979A

JP2009070979A - 半導体レーザモジュールおよびレーザ光源

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Publication number: JP2009070979A
Application number: JP2007236870A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Magari; 克明曲; Takaaki Kakitsuka; 孝明硴塚; Tsutomu Yanagawa; 勉柳川; Yoshiki Nishida; 好毅西田; Osamu Tadanaga; 修忠永; Takeshi Umeki; 毅伺梅木; Masao Yube; 雅生遊部; Hiroyuki Suzuki; 博之鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP4719198B2

Abstract

【課題】単一波長で狭帯域なスペクトル線幅を有する半導体レーザモジュールおよびレーザ光源を提供する。
【解決手段】半導体レーザと、半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザからの出射光を、平行光に変換する第１レンズと、平行光をファイバに光学的に結合させる第２レンズと、第１レンズと第２レンズとの間の光軸上に配置され、半導体レーザの発振波長で屈折率が負となる光学材料とを備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザモジュールおよびレーザ光源に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる第二高調波発生、差周波発生、和周波発生効果を用いる可視、中赤外または赤外光源において、環境ガスの計測装置に適用可能な線幅１ＧＨｚを切るレーザ光源、およびその励起光源として用いる半導体レーザモジュールに関する。

近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いたレーザ光源の構成を示す。レーザ光源は、波長λ_Aの励起光Ａを出力する半導体レーザ１１（第１のレーザ）と、波長λ_Bの信号光Ｂを出力する半導体レーザ１２（第２のレーザ）と、励起光Ａと信号光Ｂとを合波して出力する光カプラ１４と、合波された励起光Ａと信号光Ｂとを入力し、波長λ_Cのコヒーレント光である変換光Ｃを出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子１５とから構成されている。半導体レーザ１１，１２には、それぞれ駆動回路１１ａ，１２ａと温度制御回路１１ｂ，１２ｂとが接続されている。さらに、半導体レーザ１１と光カプラ１４との間には、ファイバグレーティング１３が挿入されている。

波長変換素子１５は、周期的に非線形定数が変調された分極反転構造を有し、光導波路を有する。変換光Ｃの強度は、励起光Ａと信号光Ｂの強度の積に比例するので、励起光Ａを一定強度にしておけば、信号光Ｂを波長可変とすることで、変換光Ｃの波長も可変に変換することができる。例えば、λ_A＝０．９８μｍ、λ_B＝１．５５μｍのとき、和周波としてλ_C＝０．６０μｍが得られる。また、λ_A＝１．０６μｍ、λ_B＝１．５５μｍのとき、差周波としてλ_C＝３．３１μｍが得られる。波長λ_Bを可変にすることで、和周波光または差周波光の波長λ_Cを可変することができる。従って、特定の波長を得るためには、励起光Ａと信号光Ｂの波長を厳密に制御する必要がある。

また、図２に、差周波発生により３．３μｍの中赤外光を得るために、波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す。波長変換素子の位相整合帯域は、非常に狭いために、変換光を安定して出力させるためには、単一モードで発振する半導体レーザであることが望ましい。

半導体レーザ１２の発振波長である１．５５μｍ、１．３１μｍの波長は、光通信の分野で使われている長波長帯であり、ＩｎＰ系の材料を用いるため埋め込み構造を採用している。半導体レーザとして、回折格子を内蔵し、単一波長・狭線幅で発振するＤＦＢレーザダイオードを用いることができる。この場合、半値幅０．０８ｐｍ（１０ＭＨｚ）以下の単一なスペクトル線幅が実現されている。

中赤外光波長光源は、シャープにかつ隣接して表れるガスの吸収スペクトルの分析のために用いられている。例えば、ドップラー幅程度の線形吸収を直接観測する場合、上述の差周波発生を利用して、３．３１μｍ帯のＣＨ₄ガスの吸収線を、波長スキャンすることができる。ガス吸収線は、急峻でかつ隣接した波長に多数の吸収スペクトルが現れるため、波長変換素子の励起光源として用いる半導体レーザ１１には、半値幅０．８ｐｍ（２５０ＭＨｚ）程度の単一なスペクトル線幅を実現する必要がある。

一方、半導体レーザ１２の発振波長である０．９８μｍ、１．０６μｍ、０．７７μｍの短波長帯の波長は、材料的に埋め込み構造を採用することができず、ＤＦＢレーザダイオードを作製するのは大変難しい。また需要も少ないので、半導体レーザとして通常多モード発振のレーザダイオードを用いている。そこで、特定の波長のみを一部反射するファイバグレーティング１３を、半導体レーザ１１の出力に接続し、出力光の一部を半導体レーザ１１にフィードバックすることにより、発振波長をグレーティング波長で発振するように制御している。

特開２００３−１４０２１４号公報

そこで、これら波長帯以外の波長で安定に単一波長発振させるために、半導体レーザ（ＬＤ）とファイバグレーティング（ＦＢＧ）とを近接させて接続する方法が考えられている。図３に、ＬＤとＦＢＧとを近接させた従来の半導体レーザモジュールの構成を示す。ファイバ３２の先端付近にＦＢＧ３３を形成し、ＬＤ３１と結合する先端部分３４を先球形状に加工しておく。ＦＢＧ３３は、光軸が一直線となるように固定しておくことが好ましいので、ファイバ３２の先端付近からＦＢＧ３３を含むように金属製フェルールを付けて半田固定する。この構成によれば、半値幅２ｐｍ以下の特性を実現することができる。しかし、レンズとなる先端部分３４とＦＢＧ３３とを一体化しているために、部品コストが高いという問題があった。また、先端部分３３とＬＤ３１とは、数μｍ程度まで近づける必要があり、その距離によってモニタ中の特性が変化し、また、作製トレランスが狭いために実装工程が煩雑であるという問題もあった。

図４に、従来のレンズ結合を用いた半導体レーザモジュールの構成を示す。ファイバ４２の先端付近にＦＢＧ４３を形成する。ＬＤ４１からの出射光は、レンズ４４により平行光に変換され、レンズ４５によりファイバ４２に結合される。レンズ４４，４５を用いて結合するので、作製トレランスを大きく取れるので実装工程が容易になる。しかしながら、レンズ４４，４５およびＦＢＧ４３を金属製フェルール４６内に固定する必要があるので、ＦＢＧ４３の長さは、金属製フェルール４６の長さに制限される。この方法では、ＦＢＧ４３の長さを６ｍｍ程度にしか長くすることができないため、反射帯域を７０ｐｍ程度までしか狭くすることができない。

また、１０６４ｎｍ帯のＬＤ４１の素子長Ａを１．２ｍｍとすると、素子端面間の共振により波長スペクトル上に約１２０ｐｍ間隔でのピークが生じることになる。このピーク間隔はＦＢＧ反射帯域の約２倍も広くなっていることから、反射帯域内に１つのモードが選択され、単一モードで動作することが考えられる。

一方、ＬＤ４１にはもう１つの共振モードがあり、反射膜が施された裏面とＦＢＧ４３との間で共振をする。この共振器長Ｂが約２．４ｃｍあり、波長スペクトル上に約２３ｐｍ間隔でのピークが生じることになる。このため、ＦＢＧ４３の反射帯域６０ｐｍより２倍程度広くなっており、共振器のＱ値も高いことから、反射帯域内に２〜３つのモードが選択される可能性がある。このため、ＬＤの駆動電流や設定温度等によって動作点が変わることから、単一モードで常に動作することが難しい。従って、このようなＬＤを用いて発生した中赤外発生光は単一波長でなくなり、１回の測定時に複数の吸収線を同時に観測することになり、波長スキャンを行っても実際の被測定ガスの吸収線スペクトルを同定することができなくなる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単一波長で狭帯域なスペクトル線幅を有する半導体レーザモジュールおよびレーザ光源を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、前記半導体レーザからの出射光を、平行光に変換する第１レンズと、前記平行光をファイバに光学的に結合させる第２レンズと、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光軸上に配置され、前記半導体レーザの発振波長で屈折率が負となる光学材料とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、前記第１のレーザは、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、前記第２のレーザは、回折格子を内蔵し、前記第２のレーザ光の波長を掃引することができる波長可変光源であり、前記第１のレーザと前記ファイバグレーティングとの間の光軸上に配置され、前記半導体レーザの発振波長で屈折率が負となる光学材料により、ファイバグレーティング帯域内に選択される波長が単一となることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の前記光学材料の両端に、前記第１のレーザの発振波長に対して反射防止構造を有していることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、負の屈折率を有する光学材料を用いて、半導体レーザの裏面とＦＢＧとの間で作る共振器長を実効的に短くすることができ、これにより、単一モードで常に動作し、単一波長で狭帯域なスペクトル線幅を有することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、半導体レーザの反射膜が施された裏面とＦＢＧとの間に、屈折率が負となる材料を付加する。半導体レーザの裏面とＦＢＧとの間で作る共振器長を実効的に短くすることができ、実効的な共振波長間隔を広くすることができる。これにより、単一モードで常に動作し、単一波長で狭帯域なスペクトル線幅を有する半導体レーザモジュールおよびレーザ光源を実現することができる。

（半導体レーザモジュール）
図５に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。ファイバ７２の先端付近にＦＢＧ７３を形成する。ＬＤ７１からの出射光は、レンズ７４により平行光に変換され、レンズ７５によりファイバ７２に結合される。レンズ７４，７５を用いて結合するので、作製トレランスを大きく取れるので実装工程が容易になる。ＬＤ７１の端面反射率は、レンズに近い側（表面）の反射率を０．１％以下、反対側（裏面）の反射率を９０％とした。ＬＤ７１の裏面とＦＢＧ７３との間の共振器長は約２．４ｃｍあり、波長スペクトル上に約２３ｐｍ間隔でのピークが生じることになる。

そこで、２つのレンズ７４，７５の間の光路上に、屈折率が負となる光学材料７７を挿入する。例えば、光学材料７７における発振波長１０６４ｎｍでの屈折率を−１．５となるよう設計し、その長さを５ｍｍとする。光学的な共振器長は、屈折率×長さで与えられることから、１×（２．４−０．５）＋（−１．５）×０．５＝１．１５ｃｍとなり、共振器長が実効的に短縮される。このとき、モード間隔は４９ｐｍとなり、ＦＢＧの反射帯域６０ｐｍと同程度にすることができる。

比較のために、図６に、従来の半導体レーザモジュールにおける発振メカニズムを示す。図４に示した半導体レーザモジュールのＬＤ４１の素子端面間の共振により、波長スペクトル上に約１２０ｐｍ間隔でのピークが生じる（ＬＤモード）。加えて、ＬＤ４１の裏面とＦＢＧ４３との間の共振により、波長スペクトル上に約２３ｐｍ間隔でのピークが生じる（ＬＤ−ＦＢＧモード）。ＦＢＧ４３の反射帯域（ＦＢＧ帯域）は６０ｐｍの幅であり、この中に３つの共振モードが含まれているのがわかる。

図７に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールにおける発振メカニズムをしめす。図５に示した半導体レーザモジュールのＬＤ７１の素子端面間の共振により、波長スペクトル上に約１２０ｐｍ間隔でのピークが生じる（ＬＤモード）。加えて、ＬＤ７１の裏面とＦＢＧ７３との間の共振により、波長スペクトル上に４９ｐｍ間隔でのピークが生じる（ＬＤ−ＦＢＧモード）。ＦＢＧ７３の反射帯域（ＦＢＧ帯域）は６０ｐｍの幅であり、この中には１つの共振モードのみが含まれているのがわかる。従って、実効的な共振波長間隔を広くすることができ、安定に単一波長で励起ＬＤ７１を発振することができる。なお、ここでは、光学材料７７の発振波長１０６４ｎｍにおける屈折率を−１．５としたが、構造設計等により屈折率の値を−１．５以下にすることも可能である。これにより、モード間隔をＦＢＧ４３の帯域と同一、または大きく設定することもできる。

（屈折率が負となる材料）
本実施形態では、屈折率が負となる材料として、フォトニック結晶を用いる。フォトニック結晶は、微細な構造を周期的にアレイ状に取り込むことにより、自然界では得られないような屈折率の分散関係を実現することができるという特徴を有する。図８および図９に、実施例１にかかる屈折率が負となる材料を示す。フォトニック結晶１０１は、Ｓｉ基板１０２上に、複数のピラー１０３が、アレイ状に形成されている。ピラー１０３は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ポリイミドを組み合わせたポリマー材料（屈折率１．５）を、Ｓｉ基板１０２上に積層し、エッチング加工により形成する。

図９に示したように、ピラーの直径ｂを３７０ｎｍとし、ピラーの間隔ａを６２０ｎｍとし、規格化周波数（ωａ／２πｃ）が０．４０となるように設定する。ここでωは角振動数、ｃは光速度を表している。Ｓｉ基板は２９０ｎｍ厚に研磨されており、ポリマー材料の層厚は４００ｎｍ厚とする。このような構成により、波長ω１０６４ｎｍのとき、屈折率−１．５となる。ここで、図８に示したように、入射光をフォトニック結晶１０１に入力すると、負の屈折率の効果により、通常では出射しない方向に屈折して、出射光が出力される。

屈折率が負となる材料は、上記のフォトニック結晶構造の他に、左手系メタマテリアルと呼ばれる物質を用いることによって作製することもできる。図１０〜図１２に、実施例２にかかる屈折率が負となる材料を示す。左手系メタマテリアル１１１は、下から順に第１層１１２が、金、５０ｎｍ厚、第２層１１３が、ＳｉＯ₂、６０ｎｍ厚、第３層１１４が、金、５０ｎｍ厚となっている。左手系メタマテリアル１１１は、底辺が２４０ｎｍ、上辺が１３０ｎｍの台形形状断面を持ち、長さは４５０ｎｍである。

この左手系メタマテリアル１１１を、図１１に示したように並べたものが、基本ユニットセル１２１である。２つの左手系メタマテリアル１１１ａ，１１１ｂが、長手方向に１００ｎｍの間隔、横方向に５０ｎｍの間隔で配置されている。屈折率が負となる材料１３１は、図１２に示したように、この基本ユニットセル１２１を複数並べて構成されている。このような構成により、実施例１と同様に、波長ω１０６４ｎｍのとき、屈折率−１．５となる。

材料等の工夫により、屈折率が負となる光学材料７７の屈折率を負の大きな値にすることができる。光学材料７７の両端面に、半導体レーザの発振波長に対する反射防止構造を付加してもよい。また、材料は半導体に規定されるわけでなく、誘電体材料を組み合わせることも可能であることは言うまでもない。

本実施形態によれば、半導体レーザは安定に単一波長を選択することができ、通常のレーザモジュール工程をそのまま利用することができる。本実施形態の方法は、半導体レーザモジュールの発振波長に依存しない。本実施形態の半導体レーザは、レーザ線幅の半値幅を従来の０．８ｐｍ（２５０ＭＨｚ）以下から殆ど単一なスペクトル線幅を実現することができる。

この半導体レーザモジュールを、図１に示したレーザ光源波の励起光源、すなわち、第１のレーザに適用すれば、波長変換素子から出力される変換光のレーザ線幅を、半導体レーザと同様に半値幅０．８ｐｍ程度以下の単一なスペクトル線幅にすることができる。

中赤外光波長の光を発生する波長変換素子の励起光源として、本実施形態の半導体レーザモジュールを用いることにより、波長スキャンによりシャープに隣接して表れる被測定ガス固有の多数の吸収線を高精度に観測することができる。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いたレーザ光源の構成を示す図である。第二高調波発生により波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す図である。従来の半導体レーザモジュールの構成を示す図である。従来のレンズ結合を用いた半導体レーザモジュールの構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。従来の半導体レーザモジュールにおける発振メカニズムを説明するための図である。本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールにおける発振メカニズムを説明するための図である。実施例１にかかる屈折率が負となる材料を示す図である。実施例１にかかる屈折率が負となる材料を示す図である。実施例２にかかる屈折率が負となる材料を示す図である。実施例２にかかる屈折率が負となる材料を示す図である。実施例２にかかる屈折率が負となる材料を示す図である。

符号の説明

１１，１２，３１，４１，７１半導体レーザ（ＬＤ）
１１ａ，１２ａ駆動回路
１１ｂ，１２ｂ温度制御回路
１３，３３，４３，７３ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
１４光カップラ
１５波長変換素子
３２，４２，７２ファイバ
３４先端部分
４４，４５，７４，７５レンズ
４６，７６フェルール
７７光学材料

Claims

半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとを組み合わせた半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザからの出射光を、平行光に変換する第１レンズと、
前記平行光をファイバに光学的に結合させる第２レンズと、
前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光軸上に配置され、前記半導体レーザの発振波長で屈折率が負となる光学材料と
を備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。
第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、
前記第１のレーザは、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、
前記第２のレーザは、回折格子を内蔵し、前記第２のレーザ光の波長を掃引することができる波長可変光源であり、
前記第１のレーザと前記ファイバグレーティングとの間の光軸上に配置され、前記半導体レーザの発振波長で屈折率が負となる光学材料により、ファイバグレーティング帯域内に選択される波長が単一となることを特徴とするレーザ光源。
前記光学材料の両端に、前記第１のレーザの発振波長に対して反射防止構造を有していることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源。